(57)【要約】【課題】電磁誘導加熱において、加熱セルの断面形状がアスペクト比がより大きい場合に、端部効果を生じることなく、均一な温度分布を得ること。【解決手段】発熱体として、非磁性体１１と磁性体１２を組み合わせて使用する。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体として、非磁性体と磁性体を組み合わせて用いることを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法。
【請求項２】
請求項１において、磁性体の割合を変化させることを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法。
【請求項３】
発熱体として、非磁性パイプと磁性パイプを組み合わせて用い、磁性パイプを非磁性パイプ内に挿入することを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法。
【請求項４】
発熱体として、非磁性パイプと磁性の丸棒とを組み合わせて用いることを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法。
【請求項５】
請求項４において、丸棒を等間隔に分布させることを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法。
【請求項６】
発熱体として、非磁性パイプと磁性パイプからなるカートリッジを用いることを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法。
【請求項７】
請求項６において、非磁性体パイプの配列で形成された箱型部品内に非磁性パイプと磁性パイプクが配列されていることを特徴とする電磁誘導加熱による流体加熱方法。
【請求項８】
請求項６において、非磁性パイプの配列で形成された凹型部品と、非磁性パイプの配列で形成された板状部品とが組み合わさった内部に、非磁性パイプと磁性パイプクが配列されていることを特徴とする電磁誘導加熱による流体加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁誘導による流体加熱方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、流体（気体や液体等）を加熱する方法として、ボイラーなどのように石油やガスの燃焼エネルギを熱源にする方法、太陽光などのように自然エネルギを熱源にする方法、電気エネルギを熱源にする方法がある。
【０００３】
燃焼エネルギを熱源にする流体加熱方法は、燃料の供給システムなどの補機にコストを費やす必要があり、また、燃焼に対する安全性確保や燃焼で生じる排気ガスの適正処理に余分なコストがかかるという問題がある。更に、温度コントロールの応答性が悪い。
【０００４】
自然エネルギを熱源にする流体加熱方法は、コストが高いばかりでなく、自然条件の影響を直に受けるため、安定した加熱が得られ難いという問題がある。
【０００５】
電気エネルギを熱源にする流体加熱方法では、抵抗加熱、赤外線加熱などが工業用に用いられている。抵抗加熱や赤外線加熱は、流体を加熱する熱交換器をヒータからの熱伝導により加熱する間接加熱式であり、加熱効率や温度コントロールの応答性が悪いという問題がある。
【０００６】
これに対して、電気エネルギを熱源にする流体加熱方法の１つに、熱交換器自体を発熱体とする直接加熱式の電磁誘導加熱方法がある。
【０００７】
電磁誘導加熱方式の原理は、図１に示すように、コイル（加熱コイルや誘導コイル、誘導子と呼ばれる）１の近傍にワーク２を置き、加熱コイル１に交流電流（通常、高周波電流）３を流すことにより発生する交番磁界４がワーク２中に誘導電流（渦電流）５を発生させ、この渦電流５によりワーク２にジュール熱が発生することにより、ワーク２自身が発熱し、加熱が行われるものである。この方式は温度制御の応答性がよく、熱効率が優れていることで知られている。
【０００８】
従来の電磁誘導加熱技術として、流体管路内に粒状や線、棒状の小片を多数充填し、流体管路の外周の加熱コイルに電流を流すと、小片が電磁誘導により加熱されて流体を加熱するという方法がある（特開平９‐２６００４２号公報）。また、波板を積層することで、全体として筒状に形成し、伝熱面積を大きくすることで、熱効率を改善する方法もある  （特開平９‐１６７６７９号公報）。更に、使用周波数帯や伝熱面積に関する具体的な目安を示した装置もある（特開平８−２６４２７２号公報）。
【０００９】
流体を加熱対象とする電磁誘導加熱装置では、その絶縁性の加熱セルケースの断面が図  ２に示す円のもの６や、正方形のもの７、あるいはそれに準じた形が一般的であり、断面のアスペクト比（縦横比）はほぼ１である。このため、発熱体８の形状や材質は、発熱体８の加熱セルケース断面方向において温度分布がほぼ均一であるという条件が前提となっている。
【００１０】
しかし、発熱体８に一種類の金属を単独で用いる場合には、加熱セルケース断面形状により、局部的な磁束の集中を生じ，流路断面方向の温度分布が不均一になることがある。すなわち、加熱セルケースのアスペクト比が１より大きい形状（楕円、あるいは長方形など）の場合には、図３に示すように、中心より遠い端部ほど特有の端部効果９を生じ、断面方向の均一加熱は困難になる。図３において、絶縁性加熱セルケースは幅Ｗが高さｈより大きく、アスペクト比Ｗ／ｈは１より大きくなっている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平９‐２６００４２号公報
【特許文献２】
特開平９‐１６７６７９号公報
【特許文献３】
特開平８‐２６４２７２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、端部効果を生じることなく、均一な温度分布を得ることを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、発熱体として、非磁性体と磁性体を組み合わせて用いることを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法である。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１において、磁性体の割合を変化させることを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法である。
【００１５】
請求項３の発明は、発熱体として、非磁性パイプと磁性パイプを組み合わせて用い、磁性パイプを非磁性パイプ内に挿入することを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法である。
【００１６】
請求項４の発明は、発熱体として、非磁性パイプと磁性の丸棒とを組み合わせて用いることを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法である。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項４において、丸棒を等間隔に分布させることを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法である。
【００１８】
請求項６の発明は、発熱体として、非磁性パイプと磁性パイプからなるカートリッジを用いることを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法である。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項６において、非磁性体パイプの配列で形成された箱型部品内に非磁性パイプと磁性パイプクが配列されていることを特徴とする電磁誘導加熱による流体加熱方法である。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項６において、非磁性パイプの配列で形成された凹型部品と、非磁性パイプの配列で形成された板状部品とが組み合わさった内部に、非磁性パイプと磁性パイプクが配列されていることを特徴とする電磁誘導加熱による流体加熱方法である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図    参照して、本発明の実施形態例を説明する。
【００２２】
［実施例１］
本発明の実施例１では、電磁誘導加熱装置の絶縁性の加熱セルケースは図３のような長方形の断面を持つ形状とした。この加熱セルケースの内寸は幅Ｗ２２０ｍｍ×高さｈ５ｍｍ×長さＬ１７０ｍｍであり、アスペクト比Ｗ／ｈは１より大きくなっている。このような加熱セルケースの外周に加熱コイルとして２４ターンのソレノイドコイルを設け、加熱セルケース内部には発熱体として導電性かつ非磁性のパイプを図３と同様に隙間なく充填した。パイプ材質はＳＵＳ３１６を用いた。パイプの寸法は、流体との伝熱面積を大きくし、かつ熱応答性を良くするために、φ１ｍｍ、長さ７０ｍｍ、肉厚０．０５ｍｍとする薄肉の微細管とした。
【００２３】
加熱セルケース内の均一な温度分布を得るために、非磁性パイプが充填されている加熱セルケース内部を、図４のように、幅広方向に沿って１１個のエリア１０に等分割し、各エリア１０内のパイプを規則的に整然と配置した。
【００２４】
更に、各エリア１０内の非磁性パイプ１１のうち１本を磁性パイプ１２に置き換えた。使用した磁性パイプ１２の材質はＳＵＳ４３０、形状はφ１ｍｍ、長さ７０ｍｍ、肉厚０．１ｍｍである。
【００２５】
電源周波数は５０ｋＨｚとし、この高周波電流を加熱コイルに流した。５０ｋＨｚの周波数では、使用した形状の非磁性パイプ１１を加熱することはできず、磁性パイプ１２のみ加熱することができる。加熱方法は、発熱体であるパイプ温度を５０°Ｃから２００°Ｃまで約３０秒間で上げた。入力電力は０．５ｋＷであった。
【００２６】
本実施例１では、使用している電源の周波数では非磁性パイプ１１は加熱されず、図７に示すように等間隔に挿入した磁性パイプ１２のみが電磁誘導され加熱された。また、磁性パイプ１２近傍の非磁性パイプ１１は磁性パイプ１２からの漏れ電流によるジュール熱、及び熱伝導により、磁性パイプ１２に追従するように温度が上昇した。そして、図３に見られた端部効果９は観察されず、加熱セルケース内には等間隔に同じ温度分布を作ることができた。
【００２７】
［実施例２］
次に、実施例２として、図５に示すように、実施例１に対し、各エリア１０内で置換する磁性パイプ１２の本数を１本から４本に増やし、磁性体の密度を４倍にした。その他の条件は、実施例１と同じままで、急速加熱した。
【００２８】
実施例１では磁性体の分布密度が低いため、各エリア１０では磁性パイプ１２が挿入されている中央部分から温度が上がっており、エリア内の温度のばらつきは８０°Ｃ程度であった。これに対して、本実施例２では、磁性体の分布密度が４倍になった結果、図８に示すように、端部効果を生じることなく、温度のばらつきは３０°Ｃ程度まで温度分布が均一化した。
【００２９】
［実施例３］
実施例３として、実施例２に対し、加熱セルケース内のエリア分割を１１分割から２２分割に変更し、各エリアに４本の磁性パイプを設けることにより、加熱セルケース内の磁性体の密度を２倍にした。その他は実施例２と同条件にして、急速加熱を行った。
【００３０】
本実施例３では、実施例２に対し更に磁性体の分布密度が２倍になったため、図９に示すように、端部効果を生じることなく、温度のばらつきは１０°Ｃ程度まで温度分布が均一化した。このように、磁性体の分布密度をコントロールすることにより、加熱セルケース内の温度分布を任意に設定できるようになった。
【００３１】
［実施例４］
実施例４として、実施例３に対して、磁性パイプの肉厚を０．１ｍｍから０．２５ｍｍに変更した。肉厚の変更に伴い加熱コイルのインダクタンスが変わることから、電源と整合させるために加熱コイルのターン数を２４ターンから２２ターンに変更した。その他は実施例３と同条件にし、急速加熱した。
【００３２】
実施例３では、上記のように磁性パイプの温度が先ず上昇し、非磁性パイプの温度がそれに追従していたが、本実施例４では、磁性パイプの肉厚を変えたことにより、図１０に示すように、磁性パイプ周囲の非磁性パイプから昇温させることができるようになった。従って、磁性パイプのみが誘導加熱されているにもかかわらず、磁性パイプの肉厚を最適化することで、磁性パイプ及びその周囲の非磁性パイプを同時に昇温させることができることが分かった。
【００３３】
［実施例５］
実施例５として、実施例３に対し、磁性パイプの材質をパーマロイ合金（Ｆｅ−Ｎｉ系）に変更し、その他は実施例３と同条件で急速加熱した。
【００３４】
実施例３に対してより磁性の強いパーマロイ合金を磁性パイプに使用した本実施例５の場合も、実施例３と同様に、端部効果は観測されず、均一な温度分布が得られた。パーマロイ合金はＳＵＳ４３０よりも耐候性及び耐薬品性が高いため、より多くの流体に対して流路設計の自由度を広げることができる。
【００３５】
［実施例６］
実施例６として、非磁性パイプの材質を汎用ステンレスであるＳＵＳ３０４に変更し、その他は実施例３と同条件で急速加熱した。ＳＵＳ３０４は一般的には非磁性であるが、加工硬化により弱い磁性を帯びることがあり、ここで使用したＳＵＳ３０４は加工硬化させて弱い磁性を持たせたものである。
【００３６】
完全な非磁性パイプであるＳＵＳ３１６に代えて弱い磁性を帯びたＳＵＳ３０４のパイプを設置した本実施例６の場合も、実施例３と同様、端部効果を生じることなく、均一な温度分布が得られた。従って、最も汎用なステンレスであるＳＵＳ３０４を使用できることが分かったことから、電磁誘導加熱装置のコスト面での改善が期待できる。
【００３７】
［実施例７］
上記の実施例１から６では、温度分布を均一化するために磁性パイプ１２を非磁性パイプと置換して配置したが、この方法では、任意の温度分布を得るために、多くのパイプが単独で抜き出せるような構造になっている必要がある。従って、加熱セルケース内に流体を流すときにはパイプが抜け出ないように、何らかの処置を施す必要がある。
【００３８】
これに対して、実施例７として、図６に示すように、互いにロウ付けした非磁性パイプ１１で加熱セルケース内を満たし、磁性パイプ１２を任意の位置の非磁性パイプ１１内に挿入する構造とした。磁性パイプ１２の形状は、φ０．９−０．０２ｍｍ、長さ７０ｍｍ、肉厚０．１０ｍｍとした。磁性パイプの１２の挿入位置は、実施例３と同じ位置とした。その他は実施例３と同条件で急速加熱した。
【００３９】
非磁性パイプ１１の内側に磁性パイプ１２を打ち込んだ本実施例７の構造でも、実施例３と同様に、端部効果を生じることなく、均一な温度分布が得られた。この構造により、温度分布の変更をより容易に行えるようになった。
【００４０】
ここで、電磁誘導加熱により加熱ワークに発生する渦電流は、加熱ワークの表面付近に集中する表皮効果を示すことが知られている。この表皮効果の度合を表すももとして、電流浸透の深さが用いられ、δ［ｃｍ］で表される。δは一般に、δ＝５．０３０（ρ／（μｆ））の１／２  乗で表される。ρは導体の抵抗率、μは導体の比透磁率、ｆは周波数である。この式から、δはρに比例し、μ及びｆに反比例することが分かる。前述のような薄肉の微細管を取り扱う場合、δの値を考慮した上で加熱ワークの材質及び電源の周波数を選定する必要がある。
【００４１】
使用するパイプ等の加熱ワークの材質に比磁性体を適用する場合、δの式におけるμは１となり、δはρ及びｆのみの関数となる。更に、ρは材質による固有値であるため、ｆをできるだけ大きく設定し、これにより計算されるδの値を考慮して、加熱ワークを選定する必要がある。ｆについては、電源の大きさや構成及び取り扱いを考えるとトランジスタインバータが一般的であり、例えばｆは４５０ｋＨｚとされる。
【００４２】
［実施例８］
実施例８として、図１１に示すように、加熱ワーク（非磁性パイプ）１１の材質を非磁性ステンレス（ＳＵＳ３１６）とする。この場合、計算されるデルタは０．６ｍｍである。ここでは、微細管（非磁性パイプ）１１として肉厚０．０５ｍｍ、φ  （直径）１ｍｍの形状のものを採用した。この場合、４５０ｋＨｚの電源では加熱が難しいと思われるので、図１１に示すように、ワーク中の微細管１１と同径、同材質の中実な丸棒ワーク１３を微細管１１の間に挿入し、丸棒ワーク１３が誘導加熱されることによって、近傍の非磁性パイプ１１を二次的に加熱する構造とした。
【００４３】
本実施例８では、アスペクト比が１より大きな加熱セルケースにおける非磁性パイプ１１の間に丸棒ワーク１３を挿入したことにより、丸棒ワーク１３とその近傍の非磁性パイプ１１が一様に加熱され、均一な温度分布が得られた。
【００４４】
［実施例９］
実施例９として、実施例８における丸棒ワーク１３の配置を、図１２に示すように、等間隔で分布させた。その他は実施例８と同条件である。
【００４５】
本実施例９では、丸棒ワーク１３を複数本、等間隔で分布させたことで、アスペクト比が１より大きな加熱セルケースでも、局部加熱のない、均一な加熱が可能であった。つまり、実施例８に比べ、加熱ワーク全体の加熱効率が改善した。また、丸棒ワーク１３の分布を任意に調整することで、加熱ワーク全体の熱分布を変更することが可能となった。
【００４６】
［実施例１０］
実施例１０として、実施例８、実施例９におけるＳＵＳ３１６の丸棒ワークに代えて、μの値が大きい材料すなわち磁性体ＳＵＳ４３０を用いた。この場合、δの値は非磁性体よりも小さくなるので、丸棒ではなく、ある肉厚のパイプとすることができる。本実施例１０では、肉厚０．１ｍｍの磁性パイプとした。その他は、実施例８、実施例９と同条件とした。
【００４７】
本実施例１０では、実施例８や実施例９の丸棒ワーク１３を磁性パイプに代えたことにより、流体が磁性パイプ中にも流入し、加熱効率が改善した。また、流体の流路断面積が増加することで、流体の圧力損失を減少させることが可能となった。また、丸棒ワーク１３使用の場合と同様、磁性パイプの分布を変えるだけで、加熱分布の調整が行えるようになった。
【００４８】
［実施例１１］
実施例１１として、図１３に示すように、加熱ワーク１４をハニカム構造とし、非磁性体による流路の配列の中に、流路のない部分１５を点在させた。このとき、流路のない部分１５の分布配列は実施例９と同じとした。この流路のない部分１５において、渦電流による発熱がおこり、更に、この加熱エリア１５をハニカム構造のワーク中に等間隔に設置することにより、加熱分布の均一性を保てるようにした。
【００４９】
本実施例１１では、ハニカム構造としたことにより部品点数が激減し、電磁誘導加熱装置の構造が簡単になった。また、伝熱効果がパイプの集合体ワークよりも改善され、加熱ワーク各部の熱の均一性が改善された。
【００５０】
［実施例１２］
実施例１２として、実施例１１における流路のない部分１５に、図１４に示すように、ハニカム構造の加熱ワーク１４に同様の流路の穴１６を開け、実施例１０における磁性パイプ１７を打ち込んだ構造とした。
【００５１】
本実施例１２では、実施例１１の加熱エリア１５に磁性パイプ１７を打ち込んだことにより、実施例１０と同様に加熱効率の改善及び流路確保による圧力損失の低減が可能となった。更に、磁性パイプ１７の位置は任意の変更することができるので、アスペクト比は１より大きい加熱セルケースにおける加熱分布の調整が容易に行うことができる。
【００５２】
発熱体に非磁性体と磁性体を組み合わせて用いる場合、任意の温度分布を得るためには、非磁性体と磁性体を接着などにより完全に一体化して使用することはできない。従って、振動等により発熱体の配列が崩れて発熱体の分布密度にばらつきが出ることや、流体を流す場合に発熱体が抜け出てしまう恐れがある。
【００５３】
［実施例１３］
実施例１３として、このような問題を解決できる構造を説明する。本実施例１３では、加熱セルケースを図３と同様なアスペクト比が１より大きい長方形の断面積を持つ形状とした。内寸は、Ｗ２２０ｍｍ×ｈ５ｍｍ×Ｌ７０ｍｍである。この加熱セルケースの外周に２４ターンのソレノイドコイルを加熱コイルとして設け、加熱セルケース内には発熱体として、導電性かつ非磁性のパイプを設置した。パイプ材質はＳＵＳ３１６とした。非磁性パイプの寸法は、伝熱面積を大きくし、かつ熱応答性を良くするために、φ１ｍｍ、長さ７０ｍｍ、肉厚０．０５ｍｍとする薄肉の微細管とした。
【００５４】
ここで、発熱体は、加熱セルケース内部で整然と並べるために、一部を接着して、カートリッジ化した。すなわち、導電性かつ耐熱性のある接着剤により、図１５に示すように、非磁性パイプ１１を２６本接着して、１０ｍｍ×５ｍｍの箱型１８にした。この箱型１８の中に、接着されていない２４本の非磁性パイプ１１を規則的に整然と配置し、次に、内部の非磁性パイプ４本を磁性パイプ１２に置換した。使用した磁性パイプ１２の材質はＳＵＳ４３０、形状はφ１ｍｍ、長さ７０ｍｍ、肉厚０．１ｍｍである。このようなカートリッジ１９を加熱セルケース２０内に２２個配置した。
【００５５】
この加熱セルケース２０を用いた電磁誘導加熱装置の電源周波数は５０ｋＨｚとした。５０ｋＨｚの周波数ではここで使用した形状の非磁性パイプ１１を電磁誘導で加熱することはできず、磁性パイプ１２のみを加熱することができる。加熱方法は、発熱体であるパイプ温度を５０°Ｃから２００°Ｃまで焼く３０秒間で上げた。入力電力は０．５ｋＷであった。
【００５６】
本実施例１３により発熱体をカートリッジ化した場合も、カートリッジ化しない場合と同様に、端部効果を生じない均一な温度分布が得られた。更に、発熱体をカートリッジ化したことにより、カートリッジ１９同士の温度分布の相似性が向上した。また、移動や設置の際の振動によってパイプの配列が崩れることがなく、整然とした配列が維持されるため、取り扱いが容易になった。
【００５７】
「実施例１４］
実施例１４として、実施例１３のようなカートリッジ１９を箱型１８にするのではなく、図１６に示すように、非磁性パイプ１１を接着してなる凹型部品２１と、非磁性パイプ１１を接着してなる板状部品２２を組み合わせる構造のカートリッジ２３とした。カートリッジ２３を加熱セルケース２２内に設置する際には、フェルト状の断熱シート２４で上下からカートリッジ２３を挟み込み、加熱セルケース２０内に圧入した。これにより、カートリッジ２３には上下から圧力が加わるようにした。その他は、実施例１３と同条件で急速加熱した。
【００５８】
先の実施例１３では箱型のカートリッジ１９であるためそれの成形公差やパイプの加工公差により、内部のパイプの密着性が低くなり、温度分布に不均一な部分が生じることがあるが、これに対して、本実施例１４では、各パイプが互いに安定して接触するようになったため、カートリッジ２３内の温度分布のばらつきがより小さくなり、加熱セルケース全体の温度分布もより均一化した。また、パイプが外部圧力で固定されたことにより、設置等の際に、パイプが向けることもなくなり、作業性がより向上した。
【００５９】
［実施例１５］
実施例１５として、実施例１４で使用されるカートリッジ２３を、図１７に示すように、カートリッジ２３同士を接着して一体化した。その他は、実施例１４と同条件で急速加熱した。
【００６０】
先の実施例１３，１４ではカートリッジ同士の接触面に接触不良と思われる温度のばらつきが見られたが、本実施例１５では、加熱セルケース２０内のカートリッジ２３同士を一体化したことにより、一層均一な温度分布が得られるようになった。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電磁誘導加熱に際し、端部効果を生じず、均一な温度分布を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電磁誘導加熱の原理を示す図。
【図２】従来の電磁誘導加熱方式での加熱セルの断面形状を示す図。
【図３】断面のアスペクト比が１より大きい場合の端部効果を示す図。
【図４】本発明の実施形１を示す図。
【図５】本発明の実施例２を示す図。
【図６】本発明の実施例７を示す図。
【図７】実施例１の効果を示す図。
【図８】実施例２の効果を示す図。
【図９】実施例３の効果を示す図。
【図１０】実施例７の効果を示す図。
【図１１】本発明の実施例８を示す図。
【図１２】本発明の実施例９を示す図。
【図１３】本発明の実施形１１を示す図。
【図１４】本発明の実施例１２を示す図。
【図１５】本発明の実施形１３を示す図。
【図１６】本発明の実施例１４を示す図。
【図１７】本発明の実施例１５を示す図。
【符号の説明】
１１  非磁性パイプ
１２  磁性パイプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005019198.tif 000009
【図８】
2005019198.tif 000010
【図９】
2005019198.tif 000011
【図１０】
2005019198.tif 000012
【図１１】
2005019198.tif 000013
【図１２】
2005019198.tif 000014
【図１３】
2005019198.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2005019198.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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